Stoommachine

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Stoommachine
Herons aeolipile
Principe van de stoommachine van Newcomen.
Een stoommachine in actie.

Een stoommachine is een soort motor (of, in bredere zin een soort machine) die door middel van onder druk staande stoom mechanische arbeid verricht. In de gebruikelijke stoommachines wordt de stoom in een of meer cilinders geëxpandeerd. De zich in de cilinder bevindende zuiger zal door de expanderende stoom worden weggedrukt. Via een kruk-drijfstangmechanisme wordt de expansieenergie op een vliegwiel overgebracht. Vanwege het relatief lage rendement wordt slechts een deel van de energie van de stoom in arbeid omgezet.

De uitvinding van de (industriële) stoommachine markeerde het begin van de industriële revolutie; voor het eerst was arbeidsvermogen overal realiseerbaar om machines aan te drijven, waar voor die tijd met handkracht, trekdieren, watermolens en windmolens moest worden gewerkt. De stoomlocomotief is een bekende toepassing van de stoommachine. Voor tijdelijk of licht werk kon een locomobiel worden ingezet.

Zuigerstoommachines worden, behalve in een aantal nog steeds in gebruik zijnde stoomschepen, tegenwoordig niet meer gebruikt. Waar behoefte is aan een onafhankelijke krachtbron is een stoomturbine, dieselmotor, benzinemotor of aggregaat vrijwel altijd efficiënter, goedkoper, minder vervuilend en/of lichter. Wel worden zuigerstoommachientjes nog als modelspeelgoed verkocht en zijn er in veel industrie- en techniekmusea zoals Twents Techniekmuseum HEIM nog prachtige, werkende exemplaren te bewonderen.

Het gemaal De Cruquius, met een zuigerdoorsnede van 3,66 meter ’s werelds grootste stoommachine, werd gebruikt om de Haarlemmermeer droog te leggen.

Ontwikkeling van de stoommachine[bewerken]

De ontwikkeling van de stoommachine was een empirisch proces. De theoretische achtergrond, de thermodynamica, zou later worden geformuleerd. De machine was in 1705 al uitgevonden door Thomas Newcomen en John Cally, maar er was pas in 1764 algemene toepassing mogelijk na de innovaties van de Schot James Watt (1736-1819).

Heron van Alexandrië[bewerken]

Heron van Alexandrië (10 - 70) ontwikkelde als eerste een werkende stoommachine: de aeolipile. Dit apparaat berustte niet op het zuigerprincipe zoals de moderne stoommachine. Het bestond uit een holle metalen bol gemonteerd op een eveneens holle as. Deze as kwam aan beide zijden uit in een verhit waterreservoir. De holle bol had aan weerszijden twee openingen, waaraan een gebogen open pijp gemonteerd was. De stoom die uit het reservoir door de holle as naar de bol liep, kwam door de twee pijpeinden naar buiten, waardoor de bol ging draaien. Deze stoommachine werd in feite voortgedreven door het principe van een raketmotor. De machine was echter erg inefficiënt en Heron had er geen praktische toepassing voor.

Blasco de Garay[bewerken]

In 1543 voer Blasco de Garay door de haven van Barcelona met een schip dat werd voortgestuwd door een door hem ontworpen stoommachine. Hij hield zijn uitvinding echter geheim.

Denis Papin[bewerken]

Een volgende pionier bij de ontwikkeling van de moderne stoommachine was de Fransman Denis Papin (1647-1712). Papin vluchtte na de opheffing van het edict van Nantes in 1685 naar Hessen, waar hij aan de Philipps-Universiteit Marburg probeerde zijn ideeën te verwezenlijken. Als gevolg van onnauwkeurige bewerkingen van het materiaal door onbekwame werklieden mislukte dit faliekant. Hij had zijn plannen intussen medegedeeld aan de Royal Society in Engeland, waar hij Robert Boyle en Robert Hooke eerder had leren kennen. Hooke liet met dit ontwerp een bekwaam constructeur een machine maken.

Thomas Savery[bewerken]

Op 2 juli 1698 patenteerde Thomas Savery de eerste stoommachine onder de titel An Engine to Raise Water by Fire (een machine om water op te pompen aangedreven door vuur) en in 1702 publiceerde hij details over deze machine in het boek Miner’s Friend. Savery’s "stoompomp" had geen zuiger maar gebruikte een combinatie van onderdruk en stoomdruk om het water te verplaatsen. Door het condenseren van stoom met koud water in een gesloten pompketel, ontstond onderdruk en drukte de buitenatmosfeer (1 bar = 10 meter waterkolom) het op te pompen water in de ketel. De werking was gelimiteerd tot het opstuwen van een kolom water met ongeveer dertig voet (9 meter). Deze kon worden verhoogd tot ongeveer vijftig voet (15 meter) door daarna stoomdruk op het wateroppervlak van de pompketel te plaatsen om het water zo weg te drukken, maar de toen hoge stoomdruk op de boiler maakte de installatie onveilig en onbetrouwbaar. De bediening was handmatig en daardoor zeer traag en dus onrendabel. Er werden vervolgens nog pogingen gedaan om water te verwijderen uit de Broadwaters mijn in Wednesbury en vervolgens in Staffordshire, maar zonder succes. Deze machine was niet geschikt om water uit een mijn op te pompen en de enige bekende, werkende versies werden gebruikt voor de watervoorziening in Londen.

Thomas Newcomen[bewerken]

Savery werkte voor de ‘Gezondheidscommissie voor Zeelieden’ en hierdoor kwam hij in contact met Thomas Newcomen. Omstreeks 1712 werden regelingen getroffen met Newcomen om zijn, meer geavanceerde ontwerp van de stoommachine die in de handel werd gebracht vallend onder het patent van Savery, verder te ontwikkelen. De machine van Newcomen werkte alleen onder atmosferische druk, waarbij de gevaren van stoom onder hoge druk werden vermeden, en gebruikte het zuigerconcept, in 1690 uitgevonden door de Fransman Denis Papin. Door de beide systemen te combineren ontstond de eerste stoommachine die in staat was water uit de mijnen op te pompen. Thomas Newcomen was mijnbouwkundig ingenieur en had onafhankelijk van Denis Papin op hetzelfde principe een patent op een werkende machine verworven.

Deze machines berustten op een geheel ander werkingsprincipe dan de moderne stoommachines. Hier werd niet gebruik gemaakt van de stoomdruk (dampspanning), maar van de onderdruk door de condensatie van de stoom. Men noemt deze machines ‘atmosferisch’ omdat de atmosferische druk al het werk doet. Door condenseren van stoom onder een kolfvormige afsluiting van een open cilinder met koud water, drukte de atmosfeer deze kolf naar beneden. Een contragewicht trok daarna de kolf weer omhoog. De bediening was handmatig, per arbeidsslag moesten de nodige kranen worden bediend. Mede daardoor werkte de machine uiterst langzaam. Het was dan ook nog een zeer onrendabele machine.

James Watt[bewerken]

James Watt was mecanicien en kreeg in 1763 de opdracht een Newcomen-stoommachine van de universiteit van Glasgow te verbeteren. Hij verhielp de structurele gebreken en transformeerde het tot een veelzijdig en economisch rendabel apparaat. In 1777 werd, in een mijngroeve in Cornwall, een eerste machine van hem opgesteld.

Watts aanpassingen 1765-1782:

  • Verleggen van het condensatieproces van de cilinder naar een condensor.
  • Warmhouden van de cilinder door het aanbrengen van een stoommantel.
  • Onderdruk in de condensor bewerkstelligen door een luchtpomp.
  • Afwisselend onder- en bovendruk op de zuiger toepassen, waardoor een meer economische werking ontstond.
  • Toerentalregeling met regulator door middel van middelpuntvliedende kracht, de zogenoemde regulator van Watt.
  • Gebruiken van een krukas voor roterende beweging. (In samenwerking met anderen).

Ook James Watt ondervond moeilijkheden bij de nauwkeurige bewerking van machineonderdelen, doordat hij een eigen aandrijfmechanisme nodig had voor roterende bewerkingen en door de nog primitieve technologie. Geldgebrek was een ander struikelblok.

Galerij[bewerken]

Zie ook[bewerken]